KR20140044426A - 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면 전극 및 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층을 포함하는 것으로서, 상기 광 흡수층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하며, 상기 복수개의 화합물 층은 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층된다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 화합물로 이루어진 광 흡수층을 이용함으로써 태양광 흡수의 효율을 높일 수 있다.

Description

박막 태양전지 및 그 제조 방법{Thin film solar cell and Method of fabricating the same}
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 다중 구조의 광 흡수층을 갖는 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전 세계 각 국에서는 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 더욱 각광받고 있다.
종래에는 이러한 태양에너지를 활용할 수 있는 방법 중 하나로서, 태양전지(Solar Cell)와 같은 반도체 소자를 이용하여, 태양광을 수광하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방법이 주를 이루었으나, 최근에는 이보다 태양광 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비도 절감할 수 있는 CIGS계 박막 태양전지가 등장하였다.
CIGS계 박막 태양전지란, Cu(In1 - xGax)Se2로 조성된 4원계 화합물로 형성된 직접천이형 반도체로서, 광흡수 계수가 높으며, 안정성이 뛰어나 박막 태양전지로서 커다란 응용 잠재력을 갖고 있다.
도 1은 단일한 구조의 광 흡수층을 구비하는 종래의 박막 태양전지를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 박막 태양전지를 간략하게 설명하면, 기판(1, Substrate) 상부에 후면 전극(2, Back Contact), CIGS계 화합물로 형성된 광 흡수층(3, Absorber Layer), 버퍼 층(4, Buffer Layer), 윈도우 층(5, Window Layer) 및 전면 전극(6, Front Contact)이 순차로 적층된 구조를 갖는다.
그런데 이러한 종래의 박막 태양전지의 효율과 직접적인 상관관계가 있는 에너지 밴드갭은 상기 광 흡수층(3)을 이루는 CIGS계 화합물의 조성비, 즉 CuIn1 -xGaxSe2에서 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 조성비에 따라 달라지는데, 대략 1.1 ~ 1.6 eV 사이의 에너지 밴드갭을 얻을 수 있었다. 현재, 최고 효율을 보이는 태양전지의 CIGS계 광 흡수층(3)은 대략 1.2eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이때의 CIGS계 화합물의 조성비는 Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 인 것으로 알려져 있다.
그러나, 이러한 단일한 화합물, 즉 단일의 밴드갭 에너지를 갖는 하나의 광흡수층(3)을 이용하는 경우에는, 흡수될 수 있는 태양광의 에너지 범위가 매우 제한적일 수 밖에 없다. 즉, 이러한 광 흡수층(3)이 갖는 밴드갭 에너지에 대응되는 파장보다 긴 파장 값을 갖는 태양광은 광 흡수층(3)에 의해 흡수되지 못하므로 태양광의 손실양이 많아지게 되며, 이는 박막 태양전지의 에너지 효율을 높이는데 한계로 작용하게 된다.
따라서, 태양광의 흡수율을 증가시킴으로써 높은 에너지 효율을 달성할 수 있는 박막 태양전지에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 태양광의 흡수율을 높임으로써 고에너지 효율을 달성할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면 전극 및 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층을 포함하는 것으로서, 상기 광 흡수층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하며, 상기 복수개의 화합물 층은 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광 흡수층은, 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층; 및 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고, 상기 CIGS계 화합물은 Cu(In1 - xGaxSe2) 일 수 있다.
바람직하게, 상기 CIGS계 화합물은 Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광 흡수층은, 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층; 및 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고, 상기 CGS계 화합물은 CuGaSe2 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광 흡수층은, 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층; 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층; 및 상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고, 상기 CIGS계 화합물은 Cu(In1 - xGax)Se2 이며, 상기 CGS계 화합물은 CuGaSe2 일 수 있다.
바람직하게, 상기 CIGS계 화합물은 Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 일 수 있다.
바람직하게, 상기 복수개의 화합물 층 중 적어도 어느 하나는 갈륨을 함유하며, 상기 갈륨을 함유하는 화합물 층과 인접하는 다른 화합물 층 사이에는 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양전지는, 상기 광 흡수층의 상부에 형성되는 버퍼 층을 더 포함할 수 있고, 이에 더하여 상기 버퍼 층의 상부에 형성되는 전면 전극을 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계; (b) 상기 후면 전극의 상부에 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하는 광 흡수층을 적층시키되, 상기 복수개의 화합물 층 중 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 후면 전극의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 후면 전극의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 기판의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및 상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, (c) 상기 광 흡수층의 상부에 버퍼 층을 적층시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이에 더하여 (d) 상기 버퍼 층의 상부에 윈도우 층을 적층시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
바람직하게, 상기 복수개의 화합물 층 각각은, 스퍼터링 공정 및 상기 스퍼터링 공정 후에 수행되는 셀렌화 공정을 거침으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수개의 화합물 층 중 적어도 어느 하나는 갈륨을 함유하고, 상기 갈륨을 함유하는 화합물 층과 인접하는 다른 화합물 층 사이에는 상기 셀렌화 공정에 따라 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 화합물로 이루어진 광 흡수층을 이용함으로써 태양광 흡수의 효율을 높일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 단일한 구조의 광 흡수층을 구비하는 종래의 박막 태양전지를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 적층 구조를 갖는 박막 태양전지 각각에 대한 태양광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 순차적으로 적층된 기판(11, substrate), 후면 전극(12, back contact) 및 광 흡수층(13, absorber layer)을 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(10)는 광 흡수 층(13) 상에 형성되는 버퍼 층(14, buffer layer) 및 윈도우 층(15, window layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판(11)으로는 소다라임 글래스(sodalime glass)로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명에서 채용되는 기판(11)의 종류가 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 적층 구조의 기초가 될 수 있는 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있음은 자명한 것이다. 또한, 상기 기판(11)이 갖는 면적 역시 얻고자 하는 박막 태양전지(10)의 면적에 따라 다양하게 선택될 수 있음은 자명한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 후면 전극(12)은 기판(11)의 상부에 적층되는 박막으로서, 소스 물질이 스퍼터링(sputtering)에 의해 기판(11) 면에 증착됨으로써 형성된다. 이 때, 상기 후면 전극(12) 형성을 위한 소스로는 통상적으로 몰리브덴(Mo)이 사용된다. 다만, 이로써 상기 후면 전극(12)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 전도성이 높은 금속 재질이라면 제한 없이 사용이 가능함은 자명한 것이다.
상기 광 흡수층(13)은 서로 다른 밴드갭 에너지 값을 갖는 화합물 층이 순차적으로 적층되어 형성되는 것으로서, 기판(10)의 상부에 적층되는 CIS계 화합물 층(13a) 및 CIS계 화합물 층(13a)의 상부에 적층되는 CIGS계 화합물 층(13b)을 포함한다.
상기 CIS계 화합물 층(13a)은 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 3원계 화합물인 CuInSe2으로 이루어지는 태양광 흡수 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 CIS계 화합물 층(13a)은 스퍼터링 공정에 의해 구리와 인듐을 기판(11) 상에 증착시켜 금속 전구체를 형성한 이후, 고온에서 행해지는 셀렌화 공정(selenization)을 거침으로써 형성된다. 다만, 상기 CIS계 화합물 층(13a)의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 CIS계 화합물 층(13a)은, 예를 들어 스퍼터링 공정을 통해 기판(11) 상에 구리, 인듐 및 셀레늄을 동시에 또는 번갈아서 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
이러한 공정을 통해 얻어진 CIS계 화합물 층(13a)은 대략 1.04eV의 밴드갭 에너지 갖는 것으로서, 이러한 밴드갭 에너지에 대응되는 파장은 대략 1192nm 이다. 따라서, 상기 CIS계 화합물 층(13a)은 대략 1192nm 이하의 파장 값을 갖는 태양광을 잘 흡수하는 성질을 갖는다.
상기 CIGS계 화합물 층(13b)은 구리, 인듐, 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 4원계 화합물인 Cu(In1 - xGax)Se2으로 이루어지는 태양광 흡수 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 CIGS계 화합물 층(13b)은 스퍼터링 공정에 의해 구리, 인듐 및 갈륨을 CIS계 화합물 층(13a) 상에 증착시켜 금속 전구체를 형성한 이후에 고온에서의 셀렌화 공정을 거침으로써 형성될 수 있다.
이처럼, 갈륨을 함유하는 CIGS계 화합물 층(13b)을 형성함에 있어서 스퍼터링 공정 이후에 수행되는 셀렌화 공정을 거치는 경우, CIGS계 화합물 층(13b)과 인접한 화합물 층인 CIS계 화합물 층(13a) 사이에는 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성된다(도 3 참조). 이러한 불규칙 계면 층은 고온에서 수행되는 셀렌화 공정으로 인한 갈륨의 마이그레이션(migration)에 의해 생성되는 것으로 추정되는데, 그 불규칙한 표면으로 인해 입사되는 태양광의 반사율을 최소화 함으로써 광 흡수층(13)의 흡수도를 향상시킬 수 있다.
물론, 상기 CIGS계 화합물 층(13b)의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 CIGS계 화합물 층(13b)은, 예를 들어 스퍼터링 공정을 통해 CIS계 화합물 층(13a) 상에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 동시에 또는 번갈아서 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
이러한 공정을 통해 얻어진 CIGS계 화합물 층(13b)은, 하부에 위치하는 CIS계 화합물 층(13a)보다 더 큰 대략 1.2eV의 밴드갭 에너지를 갖는 것(Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 의 조성을 갖는 경우)으로서, 이러한 밴드갭 에너지에 대응되는 파장은 대략 1033nm 이다. 따라서, 상기 CIGS계 화합물 층(13b)은 대략 1033nm 이하의 파장 값을 갖는 태양광을 잘 흡수하는 성질을 갖는다.
즉, 상기 광 흡수층(13)은 상부에 위치하는 CIGS계 화합물 층(13b)을 이용하여 비교적 짧은 파장 값(1033nm 이하)을 갖는 태양광을 우선적으로 흡수한 후, CIS계 화합물 층(13a)을 이용하여 좀 더 넓은 대역의 잔여 태양광을 재흡수 함으로써 광 흡수층(13)의 전체적인 태양광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
상기 버퍼 층(14)은 일반적으로 광전도 셀의 소재로 이용되는 황화카드뮴(CdS)을 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition; CBD)을 이용하여 광 흡수층(13) 상에 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 이러한 버퍼 층(14)의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 버퍼 층(14)은, 예를 들어 황화카드뮴을 스퍼터링 공정을 이용하여 광 흡수층(13) 상에 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
상기 윈도우 층(15)은 버퍼 층(14)의 상부에 형성되는 것으로서, 예를 들어 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 윈도우 층(15)은 다양한 방식에 의해 형성될 수 있는데, 윈도우 층(15)이 ZnO 층으로 이루어진 경우를 예로 들면, ZnO를 타겟으로 하는 스퍼터링 공정에 의해 ZnO 층을 형성할 수도 있고, 이와는 달리 산소 분위기 하에서 Zn 타겟을 이용하여 ZnO 층을 형성할 수도 있다.
한편, 상기 버퍼 층(14) 및 윈도우 층(15)은 광 흡수층(13)과 전면 전극(16) 사이에 형성되어 광 흡수층(13)과 전면 전극(16) 사이의 접합이 양호하게 이루어질 수 있도록 한다.
상기 전면 전극(16)은 윈도우 층(15)의 상부에 형성되는 것으로서, 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni) 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전면 전극(16)은 박막 태양전지(10) 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 이루어질 수도 있을 뿐만 아니라, 저항 값을 낮추기 위해 ZnO 등의 투명 도전성 물질에 알루미늄 또는 알루미나(alumina) 등이 도핑된 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 전면 전극(16)은 예를 들어 RF 스퍼터링(ZnO 타겟을 이용), 반응성 스퍼터링(Zn 타겟을 이용) 또는 유기금속 화학 증착법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착시킴으로써 이중 구조로 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 CIS계 화합물 층(13a) 및 CIGS계 화합물 층(13b)을 포함하는 이중 구조를 갖는 광 흡수층(13)을 구비하되, 상대적으로 더 큰 밴드갭 에너지 값을 갖는 CIGS계 화합물 층(13b)이 태양광의 입사 방향인 상부에 위치하는 구조를 가짐으로써 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있다.
다음은, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)를 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 순차적으로 적층된 기판(21), 후면 전극(22) 및 광 흡수층(23)을 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(20)는 광 흡수층(23) 상에 형성되는 버퍼 층(24), 윈도우 층(25) 및 전면 전극(26)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 앞선 실시예에 따른 박막 태양전지(10)와 비교하여 광 흡수층(23)의 구조가 다를 뿐 다른 구성요소는 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 갖는다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)를 설명함에 있어서 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 실질적으로 차이가 있는 광 흡수층(23)에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 광 흡수층(23)은 후면 전극(22)의 상부에 적층되는 CIS계 화합물 층(23a) 및 CIS계 화합물 층(23a)의 상부에 적층되는 CGS계 화합물 층(23b)을 포함한다. 여기서, 상기 CIS계 화합물 층(23a)은 앞선 실시예에서 설명한 CIS계 화합물 층(13a)과 실질적으로 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
상기 CGS계 화합물 층(23b)은 구리, 갈륨 및 셀레늄을 포함하는 3원계 화합물인 CuGaSe2 로 이루어지는 태양광 흡수 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 CGS계 화합물 층(23b)은 스퍼터링 공정에 의해 구리와 갈륨을 CIS계 화합물 층(23a) 상에 증착시켜 금속 전구체를 형성한 이후, 고온에서 행해지는 셀렌화 공정을 거침으로써 형성된다. 다만, 상기 CGS계 화합물 층(23b)의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 CGS계 화합물 층(23b)은, 예를 들어 스퍼터링 공정을 통해 CIS계 화합물 층(23a) 상에 구리, 갈륨 및 셀레늄을 동시에 또는 번갈아서 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
이러한 공정을 통해 얻어진 CGS계 화합물 층(23b)은 하부에 위치하는 CIS계 화합물 층(23a)보다 더 큰 대략 1.6eV의 밴드갭 에너지를 갖는 것으로서, 이러한 밴드갭 에너지에 대응되는 파장은 대략 775nm 이다. 따라서, 상기 CGS계 화합물 층(23b)은 대략 775nm 이하의 파장 값을 갖는 태양광을 잘 흡수하는 성질을 갖는다.
즉, 상기 CGS계 화합물 층(23b)은 상부에 위치하는 CGS계 화합물 층(23b)을 이용하여 비교적 짧은 파장 값(775nm 이하)을 갖는 태양광을 우선적으로 흡수한 후, CIS계 화합물 층(23a)을 이용하여 좀 더 넓은 대역의 잔여 태양광을 재흡수 함으로써 광 흡수층(23)의 전체적인 태양광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
한편, 갈륨을 함유하는 상기 CGS계 화합물 층(23b)을 스퍼터링 공정 및 고온에서의 셀렌화 공정을 이용하여 형성하는 경우 CGS계 화합물 층(23b) 및 이에 인접하는 CIS 화합물 층(23a) 사이에는 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성될 수 있음은 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 CIS계 화합물 층(23a) 및 CGS계 화합물 층(23b)으로 이루어진 이중 구조를 갖는 광 흡수층(23)을 구비하되, 상대적으로 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 CGS계 화합물 층(23b)이 태양광 입사 방향인 상부에 위치하는 구조를 가짐으로써 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있다.
다음은, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(30)를 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 박막 태양전지의 단면을 전계 방사 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(30)는 순차적으로 적층된 기판(31), 후면 전극(32) 및 광 흡수층(33)을 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(30)는 광 흡수층(33) 상에 형성되는 버퍼 층(34), 윈도우 층(35) 및 전면 전극(36)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(30)는 앞선 실시예에 따른 박막 태양전지(10,20)과 비교하여 광 흡수층(33)이 3중 구조를 갖는다는 점에서 차이가 있을 뿐 다른 구성요소는 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(30)를 설명함에 있어서는 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 광 흡수층(33)이 갖는 3중 구조에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 광 흡수층(33)은 기판(12)의 상부에 적층되는 CIS계 화합물 층(33a), CIS계 화합물 층(33a)의 상부에 적층되는 CIGS계 화합물 층(33b) 및 CIGS계 화합물 층(33b)의 상부에 적층되는 CGS계 화합물 층(33c)을 포함한다. 즉, 상기 광 흡수층(33)은 하부로부터 상부로 갈수록 화합물 층의 밴드갭 에너지가 커지는 구조를 갖는다.
따라서, 상기 광 흡수층(33)은 최 상부에 위치하는 CGS계 화합물 층(33c)을 이용하여 비교적 짧은 파장(775nm 이하)을 갖는 태양광을 우선적으로 흡수한 후, CIGS계 화합물 층(33b) 및 CIS계 화합물 층(33a)을 이용하여 순차적으로 대역을 넓혀가면서 잔여 태양광을 재흡수 함으로써 광 흡수층(33)의 전체적인 태양광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
한편, 갈륨을 함유하는 상기 CIGS계 화합물 층(33b)을 스퍼터링 공정 및 고온에서의 셀렌화 공정을 이용하여 형성하는 경우 CIGS계 화합물 층(33b) 및 이에 인접하는 화합물 층들(33a,33c) 사이에는 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 각각 형성될 수 있음은 앞선 실시예들에서 설명한 바와 동일하다.
다만, 상기 CIGS계 화합물 층(33b)과 CGS계 화합물 층(33a) 사이에 형성되는 불규칙 계면 층은 CIGS계 화합물 층(33b)과 CIS계 화합물 층(33c) 사이에 형성되는 불규칙 계면 층보다 더 두껍게 형성된다. 이는 서로 인접하는 CIGS계 화합물 층(33b)과 CGS계 화합물 층(33a) 모두가 갈륨을 함유하기 때문인 것으로 추정되며, 이러한 두꺼운 불규칙 계면 층은 광 흡수층(33)의 전체적인 태양광 흡수율을 향상시키는 것으로 추정된다.
서로 다른 밴드갭 에너지 값을 갖는 두 개 또는 세 개의 화합물 층이 적층된 구조를 갖는 박막 태양전지(10,20,30)이 갖는 우수한 성능은 도 8에 도시된 그래프에 나타난다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 적층 구조를 갖는 박막 태양전지 각각에 대한 태양광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 이중 구조로 된 광 흡수층(13,23)을 갖는 박막 태양전지(10,20) 및 3중 구조로 된 광 흡수층(33)을 갖는 박막 태양전지(30)는 단일한 구조로 된 광 흡수층을 갖는 박막 태양전지와 비교하여 대부분의 파장 범위에서 더 우수한 태양광 흡수 성능을 가짐을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 3중 구조가 적용된 박막 태양전지(30)는 2중 구조가 적용된 박막 태양전지(10,20)와 비교하여 역시 대부분의 파장 범위에서 더 우수한 태양광 흡수 성능을 갖는다는 것을 알 수 있다.
다음은, 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지(10,20,30)를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 기판(11,21,31)의 상부에 후면 전극(12,22,32)을 형성시키는 단계(S1), 후면 전극(12,22,32)의 상부에 복수개의 화합물 층으로 이루어지는 광 흡수층(13,23,33)을 형성시키는 단계(S2)를 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지의 제조 방법은 상기 광 흡수층(13,23,33)의 상부에 버퍼 층(14,24,34)을 형성시키는 단계(S3), 버퍼 층(14,24,34)의 상부에 윈도우 층(15,25,35)을 형성시키는 단계(S4) 및 윈도우 층(15,25,35)의 상부에 전면 전극(16,26,36)을 형성시키는 단계(S5)를 더 포함할 수 있다.
상기 S1 단계는, 예를 들어 몰리브덴(Mo)과 같은 전도성이 높은 금속 재질을 소스로 하여 스퍼터링 공정을 수행함으로써 기판(11,21,31) 상에 후면 전극(12,22,32)을 형성시키는 단계이다.
상기 S2 단계는, 후면 전극(12,22,32)의 상부에 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하는 광 흡수층(13,23,33)을 적층시키되, 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층시키는 단계이다.
여기서, 상기 광 흡수층(13,23,33)을 이루는 화합물 층은 두 개(CIS/CIGS 또는 CIS/CGS) 또는 세 개(CIS/CIGS/CGS)일 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 하부로부터 상부로 갈수록 밴드갭 에너지가 더 큰 화합물 층이 위치함으로써 태양광 흡수 대역을 넓힐 수 있다.
한편, 상기 복수개의 화합물 층들은 스퍼터링 공정만을 이용하여 형성되거나, 스퍼터링 공정 및 이어지는 고온에서의 셀렌화 공정을 모두 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 상기 스퍼터링 공정과 셀렌화 공정을 모두 이용하여 형성하는 경우, 갈륨을 함유하는 화합물 층(CGS 또는 CIGS)과 그에 인접하는 화합물 층과의 사이에 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성됨으로써 태양광에 대한 반사율을 감소시킬 수 있어 유리할 수 있다.
상기 S3 단계는, 스퍼터링 공정 또는 화학적 용액 성장법 등의 다양한 방법을 이용하여 황화카드뮴을 광 흡수층(13,23,33) 상에 증착시킴으로써 버퍼 층(14,24,34)을 형성하는 단계이다.
상기 S4 단계는 스퍼터링 공정을 이용하여, 예를 들어 ITO, ZnO 또는 i-ZnO 등의 물질을 버퍼 층(14,24,34) 상에 증착시킴으로써 윈도우 층(15,25,35)을 형성하는 단계이다.
본 발명에 따른 박막 태양전지(10,20,30)는 S1 단계와 S5 단계 사이에 S3 단계 및/또는 S4 단계를 거침으로써 광 흡수층(13,23,33)과 전면 전극(16,26,36) 사이의 접합이 용이해질 수 있다.
상기 S5 단계는, RF 스퍼터링 또는 반응성 스퍼터링 등을 이용하여 예를 들어 알루미늄이나 니켈 등을 윈도우 층(15,25,35) 상에 증착시킴으로써 전면 전극(16,26,36)을 형성하는 단계이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 박막 태양전지(10,20,30)는, 이중 또는 삼중 구조를 갖되 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층된 구조를 갖는 광 흡수층(13,23,33)을 구비함으로써 향상된 태양광 흡수 효율을 갖는다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10,20,30: 박막 태양전지 11,21,31: 기판
12,22,32: 후면 전극 13,23,33: 광 흡수층
13a,23a,33a: CIS계 화합물 층 13b,33b: CIGS계 화합물 층
23b,33c: CGS계 화합물 층 14,24,34: 버퍼 층
15,25,35: 윈도우 층 16,26,36: 전면 전극

Claims (20)

  1. 기판 상에 적층된 후면 전극 및 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층을 포함하는 박막 태양전지에 있어서,
    상기 광 흡수층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하며, 상기 복수개의 화합물 층은 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층은,
    구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층; 및
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고,
    상기 CIGS계 화합물은 Cu(In1 - xGax)Se2 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 CIGS계 화합물은 Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층은,
    구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층; 및
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고,
    상기 CGS계 화합물은 CuGaSe2 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층은,
    구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층;
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층; 및
    상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 적층되는 것으로서 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 CIS계 화합물은 CuInSe2 이고,
    상기 CIGS계 화합물은 Cu(In1 - xGax)Se2 이며,
    상기 CGS계 화합물은 CuGaSe2 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CIGS계 화합물은 Cu(In0 .74Ga0 .26)Se2 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 화합물 층 중 적어도 어느 하나는 갈륨을 함유하며,
    상기 갈륨을 함유하는 화합물 층과 인접하는 다른 화합물 층 사이에는 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층의 상부에 형성되는 버퍼 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버퍼 층의 상부에 형성되는 전면 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  13. (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 후면 전극의 상부에 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수개의 화합물 층을 구비하는 광 흡수층을 적층시키되, 상기 복수개의 화합물 층 중 더 큰 밴드갭 에너지를 갖는 화합물 층이 더 상부에 위치하도록 적층시키는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 후면 전극의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 후면 전극의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 기판의 상부에 구리, 인듐 및 셀레늄을 함유하는 CIS계 화합물 층을 적층시키는 단계;
    상기 CIS계 화합물 층의 상부에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 적층시키는 단계; 및
    상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 구리, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CGS계 화합물 층을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    (c) 상기 광 흡수층의 상부에 버퍼 층을 적층시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  18. 제18항에 있어서,
    (d) 상기 버퍼 층의 상부에 윈도우 층을 적층시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 복수개의 화합물 층 각각은,
    스퍼터링 공정 및 상기 스퍼터링 공정 후에 수행되는 셀렌화 공정을 거침으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수개의 화합물 층 중 적어도 어느 하나는 갈륨을 함유하고,
    상기 갈륨을 함유하는 화합물 층과 인접하는 다른 화합물 층 사이에는 상기 셀렌화 공정에 따라 불규칙한 표면을 갖는 불규칙 계면 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
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