KR20140031351A - Solar cell - Google Patents

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박기곤
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Abstract

A solar cell according to one embodiment comprises: a rear electrode layer arranged on a support substrate; a light absorption layer arranged on the rear electrode layer; a first buffer layer arranged on the light absorption layer; a second buffer layer arranged on the first buffer layer and indicated as Chemical Formula 1 below; and a front electrode layer arranged on the buffer layer, wherein band gap energy of the second buffer layer is greater than band gap energy of the first buffer layer, and the band gap energy of the second buffer layer becomes smaller from the interface of the second buffer layer and the front electrode layer to the interface of the second buffer layer and the first buffer layer.

Description

태양전지{SOLAR CELL}Solar cell {SOLAR CELL}

실시예는 태양전지에 관한 것이다.Embodiments relate to solar cells.

태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다. A solar cell can be defined as a device that converts light energy into electric energy by using a photovoltaic effect that generates electrons when light is applied to a p-n junction diode. The solar cell can be classified into a silicon solar cell, a compound semiconductor solar cell represented by group I-III-VI or III-V, a dye-sensitized solar cell, and an organic solar cell, depending on materials used as a junction diode.

I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다. CIGS (CuInGaSe) solar cell, which is one of the I-III-VI family chalcopyrite compound semiconductors, has excellent light absorption, high photoelectric conversion efficiency even at a thin thickness, and excellent electro- It is emerging as an alternative solar cell.

종래 CIGS 박막 태양전지는 일반적으로 Soda lime glass/Mo/CIGS/CdS(ZnS)/ZnO/ITO/Al 의 구조를 가지고 있다. 이 중, CdS 층은 버퍼층으로써, ZnO층을 스퍼터 공정으로 증착 시킬 때 CIGS 층의 손상을 최소화하고, 이 두 층 사이에서의 격자상수와 밴드갭의 차이를 줄여주어 CIGS 박막태양전지의 효율을 증가 시키는 역할을 한다. Conventional CIGS thin film solar cells generally have a structure of Soda lime glass / Mo / CIGS / CdS (ZnS) / ZnO / ITO / Al. Among these, the CdS layer is a buffer layer, which minimizes damage to the CIGS layer when the ZnO layer is deposited by the sputtering process, and reduces the difference in lattice constant and band gap between the two layers, thereby increasing the efficiency of the CIGS thin film solar cell. It plays a role.

하지만, Cd 의 심각한 독성과 낮은 밴드갭(2.4eV)으로 인해 CIGS 층에서의 광 흡수율을 줄여, CdS 를 대체할 새로운 buffer 층의 필요성이 대두되었다. 그 대안으로 ZnS, Zn(O, S, OH), (Zn, Mg)O, In2S3 같은 물질이 연구되고 있으나, ZnS 물질 자체의 밴드갭은 약 3.7 eV 로 높다는 문제가 있다. However, the severe toxicity of Cd and its low bandgap (2.4eV) have led to the need for a new buffer layer to replace CdS by reducing the light absorption in the CIGS layer. As an alternative, materials such as ZnS, Zn (O, S, OH), (Zn, Mg) O, and In2S3 have been studied, but the band gap of ZnS material itself is high, about 3.7 eV.

실시예는 향상된 광-전 변환효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다. Embodiments provide a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency.

실시예에 따른 태양전지는, 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 하기 화학식 1로 표시되는 제 2 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하며, 상기 제 2 버퍼층의 밴드갭 에너지는 상기 제 1 버퍼층의 밴드갭 에너지보다 크고, 상기 제 2 버퍼층과 상기 전면 전극층의 계면으로부터 상기 제 2 버퍼층과 상기 제 1 버퍼층의 계면으로 갈수록 상기 제 2 버퍼층의 밴드갭 에너지는 감소된다.Solar cell according to the embodiment, the back electrode layer disposed on the support substrate; A light absorbing layer disposed on the rear electrode layer; A first buffer layer disposed on the light absorbing layer; A second buffer layer disposed on the first buffer layer and represented by Chemical Formula 1; And a front electrode layer disposed on the buffer layer, wherein a band gap energy of the second buffer layer is greater than a band gap energy of the first buffer layer, and the second buffer layer and the second buffer layer are formed from an interface between the second buffer layer and the front electrode layer. The bandgap energy of the second buffer layer decreases toward the interface of the first buffer layer.

실시예는 순차적으로 밴드갭 에너지가 변하는 버퍼층을 포함하는 태양전지를 제공한다. 따라서, 실시예에 태양전지는 외부의 태양광에 의해서 형성된 전자 및/또는 정공을 후면전극층 및 전면 전극층에 용이하게 수송할 수 있고, 향상된 발전 효율을 가질 수 있다. 또한, 실시예에 따른 버퍼층은 종래 사용되는 버퍼층보다 높은 밴드갭을 가지는 바, 태양광의 투과성이 향상될 수 있다. The embodiment provides a solar cell including a buffer layer in which bandgap energy is sequentially changed. Therefore, in the embodiment, the solar cell can easily transport electrons and / or holes formed by external sunlight to the back electrode layer and the front electrode layer, and can have improved power generation efficiency. In addition, the buffer layer according to the embodiment has a higher bandgap than the conventionally used buffer layer, so that the transmittance of sunlight may be improved.

도 1은 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시하는 단면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 각 층의 밴드갭 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 3은 산소 및 황의 함량에 따른 버퍼층의 밴드갭 에너지 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 버퍼층의 황의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시하는 단면도이다.
도 6 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 방법을 도시한 단면도들이다.
1 is a cross-sectional view showing a cross section of a solar cell according to the first embodiment.
2 is a graph showing the bandgap energy of each layer according to the first embodiment.
3 is a graph showing the change in the band gap energy of the buffer layer according to the content of oxygen and sulfur.
4 is a graph showing the sulfur content of the buffer layer according to the first embodiment.
5 is a cross-sectional view showing a cross section of the solar cell according to the second embodiment.
6 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an 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.

본원에서 사용되는 용어 “HOMO(The Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨” 은 가전자대(Valence Band)의 가장 높은 에너지 레벨을 의미한다. 본원에서 사용되는 용어 “LUMO(The Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨” 은 전자대(Conduction Band)의 가장 낮은 에너지 레벨을 의미한다. 본원에서 사용되는 용어 “밴드갭” 은 HOMO 레벨 에너지와 LUMO 레벨 에너지 차이를 의미한다.
As used herein, the term “The Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) level” refers to the highest energy level of the valence band. As used herein, the term “The Highest Occupied Molecular Orbital (LUMO) level” refers to the lowest energy level of the conduction band. As used herein, the term “bandgap” means the difference between HOMO level energy and LUMO level energy.

도 1은 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 및 전면 전극층(600)을 포함한다. 1 is a cross-sectional view showing a cross section of a solar cell according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, a solar cell according to an embodiment includes a support substrate 100, a rear electrode layer 200, a light absorbing layer 300, a buffer layer 400, a high resistance buffer layer 500, and a front electrode layer 600. Include.

상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 전면 전극층(600)을 지지한다. The support substrate 100 has a plate shape and supports the rear electrode layer 200, the light absorbing layer 300, the buffer layer 400, the high resistance buffer layer 500, and the front electrode layer 600.

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.The support substrate 100 may be an insulator. The support substrate 100 may be a glass substrate, a plastic substrate, or a metal substrate. In more detail, the support substrate 100 may be a soda lime glass substrate.

상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 지지기판(100)의 재질로 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 실시예에 따른 태양전지의 전면 전극층(600)은 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 유연성이 매우 뛰어난 바, 상기 지지기판(100)이 플렉서블 한 재질일 경우, 실시예에 따른 태양전지는 플렉서블한 특성이 요구되는 영역에서 용이하게 사용될 수 있다.The support substrate 100 may be rigid or flexible. In more detail, the support substrate 100 may be a flexible substrate. For example, a flexible polymer or the like may be used as a material of the support substrate 100. The front electrode layer 600 of the solar cell according to the embodiment not only has excellent mechanical properties but also excellent flexibility, and when the support substrate 100 is a flexible material, the solar cell according to the embodiment has flexible characteristics. It can be used easily in the required area.

상기 후면 전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에, 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.The back electrode layer 200 is disposed on the support substrate 100. The back electrode layer 200 is a conductive layer. The rear electrode layer 200 may be formed of any one of molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), chromium (Cr), tungsten (W), and copper (Cu). Among them, molybdenum (Mo) has a smaller difference in thermal expansion coefficient than the support substrate (100) in comparison with other elements, so that it is possible to prevent peeling phenomenon from occurring due to its excellent adhesion.

상기 광 흡수층(300)은 상기 후면 전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)(Se,S)2; CIGSS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)의 밴드갭은 약 1.0 eV 내지 약 1.8 eV 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The light absorption layer 300 is disposed on the rear electrode layer 200. The light absorption layer 300 includes an I-III-VI compound. For example, the light absorbing layer 300 may be formed of a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) (Se, S) 2 ; CIGSS-based) crystal structure, copper-indium-selenide-based, or copper- It may have a gallium-selenide-based crystal structure. In addition, the band gap of the light absorbing layer 300 may be about 1.0 eV to about 1.8 eV, but is not limited thereto.

상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 20 nm 내지 약 70 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 버퍼층(400)은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The buffer layer 400 is disposed on the light absorbing layer 300. The thickness of the buffer layer 400 may be about 20 nm to about 70 nm, but is not limited thereto. The buffer layer 400 may be represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

ZnO1-XSX(0.2≤ X ≤0.8)ZnO 1-X S X (0.2≤ X ≤0.8)

또한, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 약 2.83 eV 내지 약 3.3 Ev 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 버퍼층(400)은 종래 사용되던 버퍼층의 밴드갭 에너지(약 2.2 eV 내지 2.4 eV)보다 큰 값을 가질 수 있으며, 상기 버퍼층(400)의 투과율은 향상될 수 있다. In addition, the bandgap energy of the buffer layer 400 may have a value of about 2.83 eV to about 3.3 Ev. Accordingly, the buffer layer 400 according to the embodiment may have a value larger than the band gap energy (about 2.2 eV to 2.4 eV) of the buffer layer, which is conventionally used, and the transmittance of the buffer layer 400 may be improved.

상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400) 내의 위치에 따라 순차적으로 조절될 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로 갈수록 감소될 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면에서 약 3.3 eV 이고, 상기 광 흡수층(300)에 가까워질수록 순차적으로 감소되어, 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면에서는 약 2.8 eV 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The bandgap energy of the buffer layer 400 may be sequentially adjusted according to a position in the buffer layer 400. In more detail, the bandgap energy of the buffer layer 400 may decrease from the interface of the buffer layer 400 to the front electrode layer 600 toward the interface of the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300. For example, the bandgap energy of the buffer layer 400 is about 3.3 eV at the interface between the buffer layer 400 and the front electrode layer 600, and gradually decreases as the closer to the light absorbing layer 300. The interface between the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300 may have a value of about 2.8 eV, but is not limited thereto.

도 2를 참조하면, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 전면 전극층(600)의 밴드갭 에너지보다 작고, 상기 광 흡수층(300)의 밴드갭 에너지보다 큰 값을 가진다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지를 제 2 밴드갭 에너지, 상기 전면 전극층(600)의 밴드갭 에너지를 제 1 밴드갭 에너지, 상기 광 흡수층(300)의 밴드갭 에너지를 제 3 밴드갭 에너지라고 할 때, 상기 제 2 밴드갭 에너지는 상기 제 3 밴드갭 에너지보다 높고, 상기 제 1 밴드갭 에너지보다 낮다. Referring to FIG. 2, the bandgap energy of the buffer layer 400 is smaller than the bandgap energy of the front electrode layer 600 and has a value greater than the bandgap energy of the light absorbing layer 300. For example, the bandgap energy of the buffer layer 400 is the second bandgap energy, the bandgap energy of the front electrode layer 600 is the first bandgap energy, the bandgap energy of the light absorbing layer 300 is a third When referred to as bandgap energy, the second bandgap energy is higher than the third bandgap energy and lower than the first bandgap energy.

즉, 실시예에 따른 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 전면 전극층(600)과 상기 광 흡수층(300)의 사이값을 가지고, 상기 전면 전극층(600)으로부터 상기 광 흡수층(300)으로 갈수록 밴드갭 에너지가 순차적으로 감소한다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 순차적인 전위 장벽(potential barrier)을 가지는 버퍼층(400)이 형성된다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 태양광에 의해서 형성된 전자 및/또는 정공이 후면 전극층(200) 및 전면 전극층(600)에 용이하게 수송될 수 있고, 향상된 발전 효율을 가질 수 있다.That is, the bandgap energy of the buffer layer 400 according to the embodiment has a value between the front electrode layer 600 and the light absorbing layer 300, and a band gradually goes from the front electrode layer 600 to the light absorbing layer 300. The gap energy decreases sequentially. Accordingly, in the solar cell according to the embodiment, a buffer layer 400 having a sequential potential barrier is formed. Therefore, in the solar cell according to the embodiment, electrons and / or holes formed by sunlight may be easily transported to the back electrode layer 200 and the front electrode layer 600, and may have improved power generation efficiency.

실시예에 따른 태양전지는 상기 버퍼층(400) 내의 산소 및 황의 함량을 조절함으로써, 순차적인 밴드갭 에너지를 가지는 버퍼층(400)을 제조할 수 있다. 도 3 및 도 4는 산소 및 황의 함량에 따른 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지 변화를 나타내는 그래프이다.The solar cell according to the embodiment may manufacture the buffer layer 400 having the sequential band gap energy by controlling the content of oxygen and sulfur in the buffer layer 400. 3 and 4 are graphs showing the band gap energy change of the buffer layer 400 according to the oxygen and sulfur contents.

일 구현예로, 상기 버퍼층(400) 내의 황의 함량은 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로 갈수록 증가할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1에서 황의 함량(X의 값)이 약 0.2 에서 약 0.5 로 순차적으로 증가(a)함에 따라, 산소의 함량은 약 0.8 에서 약 0.5 로 순차적으로 감소될 수 있다. 이에 따라, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로 갈수록 감소할 수 있다.In one embodiment, the sulfur content in the buffer layer 400 may increase from the interface of the buffer layer 400 to the front electrode layer 600 toward the interface of the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300. For example, as the sulfur content (value of X) in Formula 1 is sequentially increased from about 0.2 to about 0.5 (a), the oxygen content may be sequentially reduced from about 0.8 to about 0.5. Accordingly, the band gap energy of the buffer layer 400 may decrease from the interface of the buffer layer 400 to the front electrode layer 600 toward the interface of the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300.

다른 구현예로, 상기 버퍼층(400) 내의 황의 함량은 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로 갈수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1에서 황의 함량(X의 값)은 약 0.8 에서 약 0.5 로 순차적으로 감소(b) 함에 따라, 산소의 함량은 약 0.2 에서 약 0.5 로 순차적으로 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터 상기 버퍼층(400)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로 갈수록 감소할 수 있다.In another embodiment, the sulfur content in the buffer layer 400 may decrease from the interface of the buffer layer 400 to the front electrode layer 600 toward the interface of the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300. For example, in Formula 1, the sulfur content (value of X) is sequentially decreased from about 0.8 to about 0.5 (b), so that the oxygen content may be sequentially increased from about 0.2 to about 0.5. Accordingly, the band gap energy of the buffer layer 400 may decrease from the interface of the buffer layer 400 to the front electrode layer 600 toward the interface of the buffer layer 400 and the light absorbing layer 300.

한편, 지금까지 단일층으로 형성된 버퍼층(400)에 대해서만 언급하였으나, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 즉, 실시예에 따른 버퍼층(400)은 다수개의 버퍼층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치되는 제 1' 버퍼층 및 상기 제 1' 버퍼층 상에 배치되는 제 1'' 버퍼층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제 1'' 버퍼층의 밴드갭 에너지는 상기 제 1' 버퍼층의 밴드갭 에너지보다 크고, 상기 제 1'' 버퍼층의 밴드갭 에너지와 상기 제 1' 버퍼층의 밴드갭 에너지는 순차적인 값을 가질 수 있다.
Meanwhile, only the buffer layer 400 formed as a single layer has been mentioned so far, but embodiments are not limited thereto. That is, the buffer layer 400 according to the embodiment may include a plurality of buffer layers. For example, the buffer layer 400 may include a first 'buffer layer disposed on the light absorbing layer 300 and a first ″ buffer layer disposed on the first' buffer layer. In this case, the bandgap energy of the first '' buffer layer is greater than the bandgap energy of the first 'buffer layer, and the bandgap energy of the first''buffer layer and the bandgap energy of the first' buffer layer are sequential values. Can have

상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 밴드갭 에너지는 약 3.1 eV 내지 약 3.3 eV 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(500)은 생략될 수 있다.The high resistance buffer layer 500 is disposed on the buffer layer 400. The high-resistance buffer layer 500 includes zinc oxide (i-ZnO) that is not doped with impurities. The bandgap energy of the high resistance buffer layer 500 may be about 3.1 eV to about 3.3 eV, but is not limited thereto. In addition, the high-resistance buffer layer 500 may be omitted.

상기 전면 전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상의 고저항 버퍼층(500)과 직접 접촉하여 배치될 수 있다. The front electrode layer 600 may be disposed on the light absorbing layer 300. For example, the front electrode layer 600 may be disposed in direct contact with the high-resistance buffer layer 500 on the light absorption layer 300.

상기 전면 전극층(600)은 투광성 전도성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(600)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(600)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면 전극층(600)은, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다. 상기 전면 전극층(600)의 두께는 약 100 nm 내지 약 500 nm 일 수 있다. The front electrode layer 600 may be formed of a light-transmitting conductive material. In addition, the front electrode layer 600 may have characteristics of an n-type semiconductor. At this time, the front electrode layer 600 may form an n-type semiconductor layer together with the buffer layer 400 to form a pn junction with the light absorbing layer 300 which is a p-type semiconductor layer. The front electrode layer 600 may be formed of, for example, aluminum-doped zinc oxide (AZO). The thickness of the front electrode layer 600 may be about 100 nm to about 500 nm.

도 5는 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제 2 실시예에 따른 태양전지는 상기 광 흡수층(300) 상에 배치되는 제 1 버퍼층(410), 상기 제 1 버퍼층(410) 상에 배치되는 제 2 버퍼층(420)을 포함한다. 상기 제 2 버퍼층(420)의 밴드갭 에너지는 상기 제 1 버퍼층(410)의 밴드갭 에너지보다 큰 값을 가지며, 상기 제 2 버퍼층(420)은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. 또한, 제 1 실시예에서 언급한 바와 같이, 상기 제 2 버퍼층(420)의 밴드갭 에너지는 상기 제 2 버퍼층(420)과 상기 전면 전극층(600)의 계면으로부터, 상기 제 2 버퍼층(420)과 상기 제 1 버퍼층(410)의 계면으로 갈수록 순차적으로 감소될 수 있다. 5 is a cross-sectional view illustrating a cross section of the solar cell according to the second embodiment. Referring to FIG. 5, the solar cell according to the second embodiment includes a first buffer layer 410 disposed on the light absorbing layer 300 and a second buffer layer 420 disposed on the first buffer layer 410. Include. The bandgap energy of the second buffer layer 420 has a value greater than the bandgap energy of the first buffer layer 410, and the second buffer layer 420 may be represented by Chemical Formula 1 below. In addition, as mentioned in the first embodiment, the bandgap energy of the second buffer layer 420 is formed from the interface between the second buffer layer 420 and the front electrode layer 600. It may be sequentially reduced toward the interface of the first buffer layer 410.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

ZnO1-X SX(0.2≤ X ≤0.8)ZnO 1-X S X (0.2≤ X ≤0.8)

상기 언급한 바와 같이, 상기 제 1 버퍼층(410)은 상기 제 2 버퍼층(420)보다 작은 밴드갭 에너지 값을 가진다. 예를 들어, 상기 제 1 버퍼층(410)의 밴드갭 에너지는 약 2.83 eV 보다 작을 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410)은 약 2.0 eV 내지 약 2.83 eV 의 밴드갭 에너지를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. As mentioned above, the first buffer layer 410 has a smaller bandgap energy value than the second buffer layer 420. For example, the bandgap energy of the first buffer layer 410 may be less than about 2.83 eV. In more detail, the first buffer layer 410 may have a bandgap energy of about 2.0 eV to about 2.83 eV, but is not limited thereto.

상기 제 1 버퍼층(410)은 황화카드뮴(CdS)층일 수 있다. 상기 황화카드뮴층은 약 1 nm 내지 약 10 ㎚ 두께로 형성될 수 있는데, 이는 황화 카드뮴층이 가지는 독성(Toxic)을 최소화하기 위함이다. 또한, 상기 황화카드뮴층의 제조시에 카드뮴 이온(Cd2+)의 일부는 상기 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(300)에 형성된 구리 공공(Cu vacancy) 자리에 상기 카드뮴 이온(Cd2+)이 확산될 수 있다. 이에 따라, 상기 광 흡수층(300)의 표면 부근은 상기 카드뮴 이온(Cd2+)을 포함할 수 있다. 상기 구리 공공(Cu vacancy)의 자리에 상기 카드뮴 이온(Cd2+)이 확산에 의하여, 상기 광 흡수층(300)의 결함(defect)이 제거될 수 있고, 상기 광 흡수층(300)의 효율은 증대될 수 있다.The first buffer layer 410 may be a cadmium sulfide (CdS) layer. The cadmium sulfide layer may be formed to a thickness of about 1 nm to about 10 nm, to minimize the toxicity of the cadmium sulfide layer. In addition, a part of cadmium ions (Cd 2+ ) may be diffused into the light absorbing layer 300 when the cadmium sulfide layer is manufactured. That is, the cadmium ions (Cd 2+ ) may be diffused into the copper vacancy formed in the light absorbing layer 300. Accordingly, the surface vicinity of the light absorbing layer 300 may include the cadmium ion (Cd 2+ ). By the diffusion of the cadmium ion (Cd 2+ ) in the place of the copper vacancy (Cu vacancy), the defect of the light absorbing layer 300 can be removed, the efficiency of the light absorbing layer 300 is increased Can be.

또한, 상기 제 1 버퍼층(410)과 상기 제 2 버퍼층(440) 사이에는 제 3버퍼층(430)이 추가로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 버퍼층(430)은 CdZnS층일 수 있다. 즉, 상기 제1버퍼층(410)과 제2버퍼층(420)의 일부가 반응하여, CdZnS층이 형성되어, 밴드갭 에너지를 용이하여 조절 (alignment)이 할 수 있다.
In addition, a third buffer layer 430 may be further formed between the first buffer layer 410 and the second buffer layer 440. For example, the third buffer layer 430 may be a CdZnS layer. That is, a part of the first buffer layer 410 and the second buffer layer 420 react to form a CdZnS layer, so that band gap energy can be easily adjusted.

도 6 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하는 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 6 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the solar cell according to the embodiment. For a description of the present manufacturing method, refer to the description of the solar cell described above.

도 6을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면 전극층(200)을 형성한다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 6, the back electrode layer 200 is formed on the support substrate 100. The back electrode layer 200 may be formed by physical vapor deposition (PVD) or plating.

이어서, 도 7을 참조하면, 상기 후면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성한다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 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.Subsequently, referring to FIG. 7, a light absorbing layer 300 is formed on the back electrode layer 200. The light absorbing layer 300 may be, for example, copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2 ; CIGS-based) while simultaneously evaporating copper, indium, gallium, and selenium. The method of forming (300) and the method of forming a metal precursor film and forming it by the selenization process are used widely.

금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(300) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다. 이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2; CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.When the metal precursor film is formed and selenization is subdivided, a metal precursor film is formed on the back electrode 300 by a sputtering process using a copper target, an indium target, and a gallium target. Thereafter, the metal precursor film is formed of a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2 ; CIGS-based) light absorbing layer by a selenization process.

이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.Alternatively, the copper target, the indium target, the sputtering process using the gallium target, and the selenization process may be performed simultaneously.

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.Alternatively, the CIS-based or CIG-based optical absorption layer 300 can be formed by using only a copper target and an indium target, or by a sputtering process and a selenization process using a copper target and a gallium target.

이후, 도 8을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)의 제조방법은 당업계에서 태양전지의 버퍼층 제조를 위해 사용하는 것이라면 특별히 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 스퍼터링법(sputtering), 증발법(evaporation), CVD법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), 비진공 액상성막법, CBD법(Chemicalbath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 원자층 증착 (Atomic layer deposition: ALD), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 용액성장법(Chemicalbath deposition; CBD), 원자층 증착 (Atomic layer deposition: ALD) 또는, 유기금속화학기상증착(MOCVD)에 의하여 제조될 수 있다. Thereafter, referring to FIG. 8, a buffer layer 400 is formed on the light absorbing layer 300. The method of manufacturing the buffer layer 400 is not particularly limited as long as it is used in the art for manufacturing a buffer layer of a solar cell. For example, the buffer layer 400 may be formed by sputtering, evaporation, chemical vapor deposition, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), and close-spaced sublimation (CSS). Spray pyrolysis, chemical spraying, screen printing, non-vacuum liquid film deposition, chemical bath deposition, chemical transport deposition, vapor transport deposition, atomic layer deposition (Atomic layer deposition: ALD) and electrodeposition (electrodeposition) can be formed by any one of the methods selected. In more detail, the buffer layer 400 may be manufactured by chemical bath deposition (CBD), atomic layer deposition (ALD), or organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).

일 구현예로, 상기 버퍼층(400)은 하기와 같은 용액 성장법에 의해 제조될 수 있다. 아연과 황의 공급원으로 각각 수용액 상태의 황산 아연(zinc sulfuric acid, ZnSO4), 티오 요소(thiourea, (NH2)2CS)를 사용하고, 착화합물(complex) 및 pH 조절제로는 암모니아(ammonia, NH3)를 사용한다. 또한 반응 용액 내에 아연 이온의 생성을 촉진시키기 위해 적정량의 히드라진 하이드레이트(hydrozinehydrate)용액을 첨가할 수 있다. 즉, 황화아연(ZnS) 박막의 성장을 위하여 적정량의 탈 이온수가 들어있는 반응용기에 황산아연, 암모니아, 히드라진 하이드레이트 및 티오요소 순서로 수용액 상태의 시약을 첨가시킨다. 이때, 반응용기 내에 설치된 가열기를 이용하여 광 흡수층(300)이 형성된 지지기판(100)의 온도를 약 50℃ 내지 약 90℃ 로 조절할 수 있다. In one embodiment, the buffer layer 400 may be manufactured by the solution growth method as follows. As the source of zinc and sulfur, zinc sulfuric acid (ZnSO 4 ) and thiourea (NH 2 ) 2 CS in aqueous solution were used, respectively, and ammonia (ammonia, NH) as a complex and a pH regulator were used. 3 ). In addition, an appropriate amount of hydrazine hydrate solution may be added to promote the production of zinc ions in the reaction solution. That is, to grow a zinc sulfide (ZnS) thin film, a reagent in an aqueous state is added to a reaction vessel containing an appropriate amount of deionized water in the order of zinc sulfate, ammonia, hydrazine hydrate, and thiourea. In this case, the temperature of the support substrate 100 on which the light absorbing layer 300 is formed may be adjusted to about 50 ° C. to about 90 ° C. using a heater installed in the reaction vessel.

또한, 상기 반응 온도를 두 단계 이상으로 조절함으로써, 순차적인 밴드갭 에너지를 가지는 버퍼층(400)을 제조할 수 있다. 예를 들어, 약 50℃ 내지 약 60℃ 온도 조건에서는 산소를 주로 반응시키고, 약 70℃ 내지 약 90℃에서는 황을 주로 반응시킴으로써, 순차적인 밴드갭 에너지를 가지는 버퍼층(400)을 제조할 수 있다. In addition, by adjusting the reaction temperature in two or more steps, the buffer layer 400 having sequential band gap energy may be manufactured. For example, the buffer layer 400 having a sequential band gap energy may be manufactured by mainly reacting oxygen at a temperature of about 50 ° C. to about 60 ° C. and mainly reacting sulfur at about 70 ° C. to about 90 ° C. .

다른 구현예로, 원자층 증착 (Atomic layer deposition: ALD) 또는 유기금속화학기상증착(MOCVD)법을 사용하여 버퍼층(400)을 제조하는 경우, 반응 가스의 분압을 조절함으로써 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지를 순차적으로 조절할 수 있다. In another embodiment, when manufacturing the buffer layer 400 using atomic layer deposition (ALD) or organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), the band of the buffer layer 400 by adjusting the partial pressure of the reaction gas The gap energy can be adjusted sequentially.

도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 순차적으로 형성된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(600)은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착 하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
9 and 10, a high resistance buffer layer 500 is sequentially formed on the buffer layer 400. The high resistance buffer layer 500 may be deposited on the buffer layer 400 by a sputtering process. In addition, the front electrode layer 600 may be formed by depositing using a ZnO target by RF sputtering, reactive sputtering using a Zn target, and organometallic chemical vapor deposition.

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.The features, structures, effects and the like described in the 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 can be combined and modified by other persons 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.

또한, 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 clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It can be seen 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 (7)

지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 제 1 버퍼층;
상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 하기 화학식 1로 표시되는 제 2 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하며, 상기 제 2 버퍼층의 밴드갭 에너지는 상기 제 1 버퍼층의 밴드갭 에너지보다 크고,
상기 제 2 버퍼층과 상기 전면 전극층의 계면으로부터 상기 제 2 버퍼층과 상기 제 1 버퍼층의 계면으로 갈수록 상기 제 2 버퍼층의 밴드갭 에너지는 감소하는 태양전지.
[화학식 1]
ZnO1-XSX(0.2≤ X ≤0.8)
A rear electrode layer disposed on the supporting substrate;
A light absorbing layer disposed on the rear electrode layer;
A first buffer layer disposed on the light absorbing layer;
A second buffer layer disposed on the first buffer layer and represented by Chemical Formula 1; And
A front electrode layer disposed on the buffer layer, wherein a band gap energy of the second buffer layer is greater than a band gap energy of the first buffer layer,
The band gap energy of the second buffer layer decreases from the interface between the second buffer layer and the front electrode layer to the interface between the second buffer layer and the first buffer layer.
[Chemical Formula 1]
ZnO1-XSX (0.2≤ X ≤0.8)
제 1항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)층인 태양전지.
The method of claim 1,
The first buffer layer is a cadmium sulfide (CdS) layer solar cell.
제 2항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층은 1㎚ 내지 10㎚의 두께로 형성되는 태양전지.
3. The method of claim 2,
The first buffer layer is a solar cell formed to a thickness of 1nm to 10nm.
제 2 항에 있어서,
상기 제1버퍼층과 접하는 상기 광 흡수층의 일부에 상기 황화 카드뮴(CdS)의 카드뮴 이온(Cd2+) 일부가 상기 광 흡수층의 구리 공공(Cu Vacancy) 자리에 확산된 것을 포함하는 태양전지.
3. The method of claim 2,
A portion of the cadmium sulfide (CdS) of the cadmium sulfide (CdS) in the portion of the light absorbing layer in contact with the first buffer layer comprising a diffusion of copper in the copper vacancy (Cu Vacancy) site of the light absorbing layer.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층과 상기 제 2 버퍼층 사이에, 상기 제 1 버퍼층과 상기 제 2 버퍼층이 반응하여 제 3 버퍼층이 형성되고,
상기 제 3 버퍼층은 CdZnS층을 포함하는 태양전지.
The method of claim 1,
Between the first buffer layer and the second buffer layer, the first buffer layer and the second buffer layer react to form a third buffer layer,
The third buffer layer is a solar cell comprising a CdZnS layer.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 버퍼층과 상기 전면 전극층의 계면으로부터 상기 제 2 버퍼층과 상기 제 1 버퍼층의 계면으로 갈수록 상기 제 2 버퍼층의 밴드갭 에너지는 2.83 eV 내지 3.3 eV의 범위에서 순차적으로 감소하는 태양전지.
The method of claim 1,
The bandgap energy of the second buffer layer is sequentially reduced in the range of 2.83 eV to 3.3 eV from the interface between the second buffer layer and the front electrode layer to the interface between the second buffer layer and the first buffer layer.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 버퍼층과 상기 전면 전극층의 계면으로부터 상기 제 2 버퍼층과 상기 제 1 버퍼층의 계면으로 갈수록 상기 x는 0.2에서 0.5로 증가하는 태양전지.
The method of claim 1,
The x increases from 0.2 to 0.5 from the interface between the second buffer layer and the front electrode layer toward the interface between the second buffer layer and the first buffer layer.
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