KR20140003802A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층 상에 배치되는 제2 버퍼층; 및 상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 형성되는 더미층을 제거하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극들이 형성된다.
이후, 상기 이면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 고저항 버퍼층에 홈 패턴이 형성될 수 있다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층되고, 상기 홈패턴이 상기 투명한 도전물질이 채워진다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성되고, 상기 홈 패턴 내측에 접속배선들이 각각 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 투명전극층 등에 홈 패턴이 형성되어, 다수 개의 태양전지들이 형성될 수 있다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 각각의 셀에 대응한다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 서로 미스 얼라인되며, 상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 상기 접속배선들에 의해서 각각 전기적으로 연결된다. 이에 따라서, 다수 개의 태양전지들이 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
한편, 이와 같은 태양전지에서는 버퍼층과 광 흡수층의 에너지 밴드갭 차이를 줄여 광기전력 수득을 용이하게 하는 것이 관건이다. 따라서, 버퍼층과 광 흡수층이 유사한 에너지 밴드갭을 가질 수 있도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층 상에 배치되는 제2 버퍼층; 및 상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 형성되는 더미층을 제거하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층 및 버퍼층 사이에 배치되는 추가 버퍼층을 더 포함하고, 상기 추가 버퍼층을 통해 광 흡수층 및 버퍼층 사이의 에너지 밴드갭 상쇄 효과를 볼 수 있다. 즉, 상기 추가 버퍼층을 통해 상기 광 흡수층 및 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭 차이를 줄일 수 있다. 이를 통해, 전자의 수득율을 높일 수 있고, 실시예에 따른 태양전지의 단락전류(Jsc) 및 개방전압(Voc)을 향상할 수 있다. 또한, 상기 추가 버퍼층을 통해 광 흡수층 표면을 안정화(passivation)할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상술한 효과를 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1 은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(700), 제2 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(700), 제2 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 전면전극층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100)의 상면에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 제1 버퍼층(700)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 제1 버퍼층(700)은 상기 광 흡수층(300) 및 상기 제2 버퍼층(400) 사이에 배치된다.
상기 제1 버퍼층(700)은 황(S)을 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 버퍼층(700)은 구리, 황, 인듐, 갈륨 또는 알루미늄을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 제1 버퍼층(700)은 CuInS2, CuGaS2 또는 CuAlS2을 포함할 수 있다.
상기 제1 버퍼층(700)의 에너지 밴드갭이 1.5 eV 내지 4 eV 일 수 있다. 일례로, 상기 제1 버퍼층(700)이 CuInS2를 포함할 때, 상기 제1 버퍼층(700)의 에너지 밴드갭은 약 1.53 eV 이다. 상기 제1 버퍼층(700)이 CuGaS2를 포함할 때, 상기 제1 버퍼층(700)의 에너지 밴드갭은 약 2.53 eV 이다. 상기 제1 버퍼층(700)이 CuAlS2를 포함할 때, 상기 제1 버퍼층(700)의 에너지 밴드갭은 약 3.5 eV 이다.
즉, 상기 제1 버퍼층(700)을 통해 상기 광 흡수층(300) 및 상기 제2 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭 차이를 줄일 수 있다. 이를 통해, 전자의 수득율을 높일 수 있고, 실시예에 따른 태양전지의 단락전류(Jsc) 및 개방전압(Voc)을 향상할 수 있다. 또한, 상기 제1 버퍼층(700)을 통해 광 흡수층 표면을 안정화(passivation)할 수 있다.
상기 제1 버퍼층(700)의 두께(T)는 5 mm 내지 10 mm 일 수 있다. 상기 제1 버퍼층(700)의 두께(T)가 5 mm 미만일 경우, 에너지 밴드갭의 상쇄 효과를 크게 보기 힘들다. 상기 제1 버퍼층(700)의 두께(T)가 10 mm를 초과할 경우, 태양전지의 두께가 두꺼워질 수 있다.
이어서, 상기 제2 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 제2 버퍼층(400)은 상기 제1 버퍼층(700) 상에 배치된다. 상기 제2 버퍼층(400)은 상기 제1 버퍼층(700)에 직접 접촉한다.
상기 제2 버퍼층(400)은 황화물을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제2 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함할 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 제2 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(600)은 투명하다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면전극층(600)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)이 알루미늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 2.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다. 상기 전면전극층(600)은 도전층이다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 상세하게 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위해 앞서 설명한 부분과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 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(300)이 형성될 수 있다.
이때, 광 흡수층(300) 상에 더미층(350)이 함께 형성될 수 있다. 상기 더미층(350)은 상기 광 흡수층(300) 형성 시 필연적으로 형성되는 층으로써, 구리 및 셀레늄을 포함할 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 더미층(350)을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 더미층(350)을 제거하는 단계에서는, 상기 더미층(350)을 에칭할 수 있다. 일례로, 시안화칼륨(KCN) 또는 브롬(Br)과 같은 에칭액을 이용하여 에칭할 수 있다. 상기 더미층(350)을 제거함으로써, 이후에 형성되는 제1 버퍼층(700)의 형성이 용이하게 될 수 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 상기 더미층(350)이 제거된 광 흡수층(300) 상에 제1 버퍼층(700)을 형성할 수 있다. 상기 제1 버퍼층(700)은 기판(100)을 수용액에 담지하여 박막을 성장시키는 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 수용액은 인듐 클로라이드(InCl3), 갈륨 클로라이드(GaCl3) 또는 알루미늄 클로라이드(AlCl3)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수용액은 티오우레아(thiourea) 및 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함할 수 있다. 상기 티오우레아는 상기 제1 버퍼층(700)에 황(S)을 공급할 수 있다. 상기 티오아세트아미드는 박막 성장을 촉진시킬 수 있다.
상기 수용액이 인듐 클로라이드(InCl3)를 포함할 경우, 상기 제1 버퍼층(700)은 CuInS2를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수용액이 갈륨 클로라이드(GaCl3)를 포함할 경우, 상기 제1 버퍼층(700)은 CuGaS2를 포함할 수 있다. 상기 수용액이 알루미늄 클로라이드(AlCl3)를 포함할 경우, 상기 제1 버퍼층(700)은 CuAlS2을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 광 흡수층(300) 상에 제2 버퍼층(400)을 형성하는 단계를 거친다. 여기서, 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 화학적 용액 성장법 등에 의해서 증착되고, 상기 제2 버퍼층(400)이 형성된다.
이후, 상기 제2 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성될 수 있다.
상기 제2 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)은 낮은 두께로 증착된다. 예를 들어, 상기 제2 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 1㎚ 내지 약 80㎚이다.
이어서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)을 형성하는 단계를 거친다. 상기 전면전극층(600)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 등과 같은 투명한 도전물질이 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
상술한 실시예에 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 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 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, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 기판 상에 배치되는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 제1 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층 상에 배치되는 제2 버퍼층; 및
    상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
    상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 구리, 황, 인듐, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 CuInS2, CuGaS2 및 CuAlS2 로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 포함하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층의 두께는 5 mm 내지 10 mm 인 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층의 에너지밴드갭이 1.5 eV 내지 4 eV인 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)을 포함하는 태양전지.
  7. 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 형성되는 더미층을 제거하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 제1 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 제1 버퍼층 상에 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 황(S)을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 더미층은 구리 및 셀레늄을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 더미층을 제거하는 단계에서는 상기 더미층을 에칭하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층을 형성하는 단계에서는, 기판을 수용액에 담지하여 박막을 성장시키는 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition)으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수용액은 인듐 클로라이드(InCl3), 갈륨 클로라이드(GaCl3) 및 알루미늄 클로라이드(AlCl3)로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 포함하는 태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수용액은 티오우레아(thiourea)및 티오아세트아미드(thioacetamide)로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 더 포함하는 태양전지의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층을 형성하는 단계는, 화학적 용액 성장법을 포함하고,
    상기 제2 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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