KR20140129036A - Cigs계 화합물 태양 전지 - Google Patents

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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

높은 변환 효율을 갖는 CIGS계 화합물 태양 전지를 제공하기 위해서, 기판(1) 상에, 이면 전극층(2)과, CIGS 광흡수층(3)과, 버퍼층(4)과, 투명 전극층(5)을 이 순서로 구비한 CIGS 화합물 태양 전지에 있어서, 상기 버퍼층(4)이 Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정(混晶)으로 이루어지며, 상기 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (1)을 만족시키도록 하였다.
0.5 ≤ A/(A+B+C) < 1 …(1)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도

Description

CIGS계 화합물 태양 전지{CIGS-COMPOUND SOLAR CELL}
본 발명은, CIGS계 화합물 태양 전지에 관한 것이다.
Ib족, Ⅲb족 및 Ⅵb족의 원소로 이루어지는 CuInSe2(CIS) 또는 이것에 Ga를 고용(固溶)시킨 Cu(In, Ga)Se2(CIGS) 화합물 반도체(I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체)를 광흡수층에 이용한 화합물 태양 전지는, 높은 광변환 효율(이하 「변환 효율」이라고 함)을 가지며, 박막으로 형성할 수 있고, 광조사 등에 의한 변환 효율의 열화가 적다고 하는 이점을 갖는 것이 알려져 있다.
이러한 CIS 또는 CIGS(이하 「CIGS계」라고 함) 화합물 반도체를 광흡수층에 이용한 CIGS계 태양 전지의 버퍼층에는, 일반적으로, 화학 석출법으로 형성한 CdS나 Zn(O, S) 등이 이용된다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 그러나, 화학 석출법으로 버퍼층을 형성하는 경우에는, 진공 하에서 증착 또는 셀렌화법에 의해 CIGS계 화합물 반도체층을 형성한 후에, 일단, 대기 하에 꺼내어 버퍼층을 형성하고, 다시 진공 하에서 투명 전극층을 형성할 필요가 있어, 생산성이 뒤떨어진다고 하는 문제가 있다.
그래서, 이 문제를 해결하기 위해서, 버퍼층의 형성을, 대기 하에 꺼내지 않고 진공 하에서, 연속적으로 스퍼터법에 의해 행하는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-343987호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2002-124688호 공보
그러나, 특허문헌 2에 있는 바와 같이, 스퍼터 장치로서 범용되는 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 진공 하에서 연속적으로 버퍼층을 형성하면, 생산 효율은 개선되지만, 변환 효율의 개선은 기대할 수 없다. 이 때문에, 생산성을 높이고, 보다 한층 높은 변환 효율을 실현시키는 것이 강하게 요망된다.
본 발명은, 상기한 과제를 감안하여, 버퍼층을, 대기 하에 꺼내지 않고 진공 하에서 형성할 수 있고, 게다가, 종래에 없는 높은 변환 효율의 CIGS계 화합물 태양 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 기판 상에, 적어도 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체층과, 버퍼층과, 투명 전극층을 이 순서로 구비하고, 상기 버퍼층을 Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정(混晶)으로 하며, 상기 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (1)을 만족시키는 CIGS계 화합물 태양 전지를 그 요지로 한다.
0.5 ≤ A/(A+B+C) < 1 …(1)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도
본 발명의 CIGS계 화합물 태양 전지는, 황동석(chalcopyrite) 구조를 갖는 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체를 광흡수층으로서 가지며, 그 버퍼층은, Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정으로 이루어져 있다. 이 때문에, I-Ⅲ-Ⅵ족의 화합물 반도체층과 버퍼층과의 경계에서, 높은 변환 효율의 전류를 만들어 내도록 되어 있다. 또한, 상기 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 상기한 식 (1)을 만족시키도록 되어 있기 때문에, CIGS계 화합물 태양 전지에 있어서, 종래에 없는 높은 변환 효율을 달성할 수 있다.
또한, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (2)를 만족시키면, 버퍼층에 크랙이 생기기 어려워지고, 전자가 투명 전극층측으로 흐르기 어려워지는 것에 의한 전류의 손실을 감소시킬 수 있다.
0 < B/(A+B+C) < 0.2 …(2)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도
또한, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (3)을 만족시키면, 버퍼층에 크랙이 생기기 어려워지고, 전자가 투명 전극층측으로 흐르기 어려워지는 것에 의한 전류의 손실을 보다 감소시킬 수 있다.
0 < C/(A+B+C) < 0.3 …(3)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도
그리고, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (4)를 만족시키면, 버퍼층에 크랙이 생기기 어려워지고, 버퍼층이 CIGS층의 계면과 보다 결함없이 결합할 수 있으며, 계면 전자가 투명 전극층측으로 흐르기 어려워지는 것에 의한 전류의 손실을 더욱 감소시킬 수 있다.
0.7 < (A+C)/(A+B+C) < 1 …(4)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 CIGS 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 상기 CIGS 태양 전지의 버퍼층을 형성하는 장치에 있어서의 타겟의 배치 상태를 도시한 설명도이다.
다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 CIGS 태양 전지의 단면도이다. 이 CIGS 태양 전지는, 기판(1)과, 이면 전극층(2)과, CIGS 광흡수층(화합물 반도체층)(3)과, 버퍼층(4)과, 투명 전극층(5)을 이 순서로 구비하고, 상기 버퍼층(4)이, Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정으로 이루어지며, 이 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (1)을 만족시키도록 되어 있다(하기 A, B, C는 이하에 있어서 동일함).
0.5 ≤ A/(A+B+C) < 1 …(1)
(단, A, B, C는 모두 0이 아님)
A: (002) 면에서의 피크 강도
B: (100) 면에서의 피크 강도
C: (101) 면에서의 피크 강도
이하에, 이 CIGS 태양 전지를 상세히 설명한다. 한편, 도 1에 있어서, 두께, 크기, 외관 등은 모식적으로 나타낸 것이며, 실제의 것과는 상이하다(도 2에 있어서 동일함).
상기 기판(1)은, 유리 기판, 금속 기판, 수지 기판 등을 이용할 수 있다. 상기 유리 기판으로서는, 알칼리 금속 원소의 함유량이 매우 낮은 저알칼리 유리(고왜곡점(high strain point) 유리), 알칼리 금속 원소를 포함하지 않는 무알칼리 유리, 청판 유리 등을 들 수 있다. 단, 저알칼리 유리, 무알칼리 유리, 금속 기판, 수지 기판을 이용하는 경우에는, CIGS 광흡수층(3)의 형성 중 또는 형성 후에, Na를 미량 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판(1)의 형상이, 가요성을 갖는 장척(長尺) 형상이면, 롤투롤(roll to roll) 방식 또는 스테핑롤(stepping roll) 방식으로 CIGS 화합물 태양 전지를 제조할 수 있기 때문에, 바람직하다. 상기 「장척 형상」이란 길이 방향이 폭 방향의 10배 이상인 것을 말하며, 30배 이상인 것이 보다 바람직하게 이용된다. 또한, 기판(1)의 두께는, 5 ㎛~200 ㎛의 범위에 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ㎛~100 ㎛의 범위이다. 즉, 두께가 지나치게 두꺼우면, CIGS 화합물 태양 전지의 굴곡성이 상실되고, CIGS 화합물 태양 전지를 구부렸을 때에 가해지는 응력이 커져, CIGS 광흡수층(3) 등의 적층 구조에 손상을 줄 우려가 있고, 반대로 지나치게 얇으면, CIGS 화합물 태양 전지를 제조할 때에, 기판(1)이 좌굴(buckle)하여, CIGS 화합물 태양 전지의 제품 불량률이 상승하는 경향이 보여지기 때문이다.
다음으로, 상기 기판(1) 위에 형성된 이면 전극층(2)은, 스퍼터법, 증착법, 잉크젯법 등에 의해 형성할 수 있고, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 티탄(Ti) 등이 단층 또는 복층으로 형성되어 있다. 또한, 그 두께(복층의 경우는, 각 층의 두께의 합계)는, 10 ㎛~1000 ㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 한편, 기판(1)이 이면 전극층(2)의 기능을 갖는 경우(도전성을 갖는 경우)에는, 이 이면 전극층(2)을 형성하지 않아도 좋다. 또한, 기판(1) 유래의 불순물이 열확산되면 CIGS 화합물 태양 전지의 성능이 악영향을 받기 때문에, 이를 방지하는 것을 목적으로 하여, 기판(1) 또는 이면 전극층(2) 위에 배리어층(도시하지 않음)을 형성해도 좋다. 이러한 배리어층은, 예컨대, Cr 등을 이용하여, 스퍼터링법, 증착법, CVD법, 졸·겔법, 액상 석출법 등에 의해 형성할 수 있다.
또한, 이면 전극층(2) 위에 형성된 CIGS 광흡수층(화합물 반도체층)(3)은, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀렌(Se)의 4원소를 포함하는 화합물 반도체로 이루어져 있다. 그리고, 그 두께는, 1.0 ㎛~3.0 ㎛의 범위에 있는 것이 바람직하고, 1.5 ㎛~2.5 ㎛의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 두께가 지나치게 얇으면, 광흡수층으로서 이용했을 때의 광흡수량이 적어져, 태양 전지의 성능이 저하되는 경향이 보여지고, 반대로, 지나치게 두꺼우면, CIGS 광흡수층(3)의 형성에 걸리는 시간이 증가하여, 생산성이 뒤떨어지는 경향이 보여지기 때문이다. 이러한 CIGS 광흡수층(3)의 형성 방법으로서는, 진공 증착법, 셀렌화/황화법, 스퍼터법 등을 들 수 있다.
또한, 상기 CIGS 광흡수층(3)에 있어서의 Cu, In, Ga의 조성비는, 0.7 < Cu/(Ga+In) < 0.95(몰비)의 식을 만족시키는 것이 바람직하다. 이 식을 만족시키도록 되어 있으면, 상기 CIGS 광흡수층(3) 내에 Cu(2-x)Se가 지나치게 받아들여지는 것을 보다 저지할 수 있고, 게다가, 층 전체로서 약간 Cu가 부족한 상태로 할 수 있기 때문이다. 또한, 동족 원소인 Ga와 In의 비는, 0.10 < Ga/(Ga+In) < 0.40(몰비)의 범위에 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 CIGS 광흡수층(3) 위에 형성된 버퍼층(4)이, Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정으로 이루어지며, 전술한 바와 같이, 이 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이 상기 식 (1)을 만족시키도록 되어 있다. 이것이 본 발명의 최대의 특징이다. 상기 혼정의 특성이 상기 식 (1)을 만족시키는 것은, 그 A피크 강도가 B, C에 비해서 매우 강한 것을 나타내며, A/(A+B+C) = 1일 때에는 (002)의 완전 배향을 나타낸다. 즉, 상기 식 (1)을 만족시키는 것은, (002) 배향, 즉, C축[CIGS 광흡수층(3)으로부터 투명 전극층(5)으로 향하는 방위]으로, 상기 혼정이 배향되는 비율이 높은 것을 나타낸다. 그 결과, CIGS 광흡수층(3)에서 생성된 전자가, 입계(粒界) 등에서 재결합하지 않고 투명 전극층에 도달하는 비율이 높아지기 때문에, 변환 효율이 향상된다고 추찰된다. 한편, A/(A+B+C) < 0.5이면, 변환 효율이 현저히 저하되어, 본 발명의 효과를 얻을 수 없다. 또한, A/(A+B+C) = 1이면, 버퍼층(4)에 크랙이 발생하기 쉬워지고, CIGS 태양 전지의 전지 특성의 저하 및 핸들링성이 나빠지는 경향이 보여진다.
또한, 상기 혼정의 특성이 상기 식 (1)뿐만 아니라, 상기 식 (2)~(4)를 만족시키면, 변환 효율의 손실의 저감이 가능할 뿐만 아니라, 기판(1)으로서 플렉시블 기판을 이용한 경우라도, 버퍼층(4)에 크랙이 생기기 어려워지고, 높은 변환 효율을 유지할 수 있기 때문에 적합하다. 즉, 버퍼층(4)은, (002) 배향의 결정뿐만 아니라, (100) (101) 배향의 결정을 약간 가짐으로써, 크랙이 발생하기 어려워지고, 변환 효율이 향상된다.
상기 버퍼층(4)은, 상기 CIGS 광흡수층(3)과 pn 접합할 수 있도록, 고저항의 n형 반도체인 것이 바람직하고, 단층뿐만 아니라, 복수의 층을 적층한 것이어도 좋다. 버퍼층(4)으로서, 복수의 층이 적층된 것을 이용하면, 상기 CIGS 광흡수층(3)과의 pn 접합을 보다 양호하게 할 수 있다. 이러한 버퍼층(4)의 형성 재료로서는, Mg 및 ZnO의 혼정 외에, CdS, ZnMgO, ZnCaO, ZnMgCaO, ZnMgSrO, ZnSrO, ZnO, ZnS, Zn(OH)2, In2O3, In2S3 및 이들의 혼정인 Zn(O, S, OH), Zn(O, S) 등을 들 수 있다. 또한, 그 두께는, 50 ㎚~200 ㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기 버퍼층(4)은, 예컨대, 대향 타겟 스퍼터법에 있어서, 한 쌍의 타겟의 전압의 인가를, 고주파(RF) 전원을 이용하여, 또는 고주파(RF) 전원과 직류(DC) 전원을 병용함으로써, 형성할 수 있다. 상기 대향 타겟 스퍼터법은, 일반적인 마그네트론 스퍼터법과는 달리, 2장의 음극 타겟을 대향하여 배치하고, 타겟 표면에 수직으로 한쪽의 타겟으로부터 다른 한쪽의 타겟을 향해 자계를 인가하여 스퍼터링을 행하는 방법이다. 이 대향 타겟 스퍼터법에 있어서, 기판(1)은, 타겟의 측면에 타겟과 수직으로 설치된다.
또한, 대향 타겟 스퍼터법 중에서도, 상기 한 쌍의 타겟을, 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(1)의 CIGS 흡수층(3)으로부터 수직 형상으로 연장되는 가상 중심축(X)을 상정하고, 이 가상 중심축(X)을 사이에 둔 양측에 이들 2장의 타겟(6, 6')을 대향하여 배치한 것을 이용하면, 상기 식 (1)에 나타나는 특성을 갖는 버퍼층(4)을 보다 얻기 쉽기 때문에 적합하다. 이때, 타겟(6, 6') 중 적어도 한쪽의 타겟의, 가상 중심축(X)에 대한 각도(θ)가 5°~15°의 범위로 설정되어 있으면, 상기 식 (1)에 나타나는 특성을 갖는 버퍼층(4)을 한층 얻기 쉽기 때문에 바람직하다. 한편, 도 2에 있어서는, 기판(1)에 형성된 이면 전극층(2) 및 CIGS 광흡수층(3)의 도시를 생략한다.
얻어진 버퍼층(4)이 상기 식 (1)을 만족시키는지의 여부는, 예컨대, 브루커사 제조의 XRD D8 DISCOVER with GADTS의 장치를 이용하여, 입사각 5°고정, 디텍터 스캔 3°/분의 조건에서 측정함으로써 확인할 수 있다. 한편, 상기 버퍼층(4)이 복층인 경우에는, 적어도 CIGS 광흡수층(3)에 접하는 층이, 상기 식 (1)을 만족시키면 된다. 또한, 버퍼층(4)이 상기 식 (2)~(4)를 만족시키는지의 여부에 대해서도, 상기와 동일한 조건에서 측정함으로써 확인할 수 있다.
다음으로, 상기 버퍼층(4) 위에 형성된 투명 전극층(5)은, 고투과율을 갖는 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하고, ITO, IZO, 알루미늄산화아연(Al:ZnO) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 그 두께는, 50 ㎚~300 ㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다. 그리고, 이 투명 전극층(5)의 광 투과율은, 80%를 넘는 것이 바람직하다. 한편, 이러한 투명 전극층(5)은, 예컨대, 스퍼터법, 증착법, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD법) 등에 의해 형성할 수 있다.
이 구성에 따르면, 버퍼층(4)을 스퍼터로 연속적으로 얻을 수 있고, 게다가, CIGS 광흡수층(3)이 황동석 구조를 갖기 때문에, 변환 효율이 좋다. 따라서, CIGS 광흡수층(3)을 박막으로 할 수 있고, CIGS 태양 전지 전체를 박막으로 구성할 수 있다. 또한, CIGS 태양 전지를 박막으로 구성할 수 있기 때문에, 이용하지 않는 파장의 광을 높은 확률로 투과시킬 수 있으며, 전지의 사용 용도, 전지를 배치할 수있는 대상물이 늘어난다. 또한, 버퍼층(4)이 Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정으로 이루어지며, 전술한 바와 같이, 이 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이 상기 식 (1)을 만족시키도록 되어 있기 때문에, 한층 변환 효율이 좋다. 또한, X선 회절에 의해 나타나는 버퍼층(4)의 특성이 상기 (2)~(4)를 만족시키도록 되어 있으면, 기판(1)으로서 플렉시블 기판을 이용한 경우라도 버퍼층(4)에 크랙이 생기기 어렵고, 핸들링성이 우수하다.
[실시예]
다음으로, 실시예에 대해서 비교예와 함께 설명한다. 단, 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
〔실시예 1〕
(이면 전극층의 형성)
먼저, 탈지한 소다 석회 유리(두께 0.55 ㎜, 크기 20 ㎜)로 이루어지는 기판의 표면에, 마그네트론 스퍼터 장치(알박사 제조, 모델 번호 SH-450)를 이용하고, 방전 가스에는 아르곤을 사용하며, 스퍼터 압력이 1 ㎩가 되도록 직류(DC) 전원을 이용하고, 스퍼터 속도 60 m/분으로, 두께 0.8 ㎜의 Mo로 이루어지는 이면 전극층을 형성하였다.
(CIGS 광흡수층의 형성)
다음으로, 상기에서 형성된 이면 전극층 위에, CIGS 광흡수층을 형성하였다. 즉, 진공 증착 장치의 챔버 내에, Ga, In, Cu, Se의 각각을 증착원으로서 배치하고, 이 챔버 내를 진공도 1×10-4 ㎩로 하며, 기판을, 승온 속도 550℃/h로 550℃까지 가열하였다. 이때, 상기 증착원을 각각 Ga(950℃), In(780℃), Cu(1100℃), Se(140℃)가 되도록 가열하고, 이들 원소를 동시에 증발시킴으로써, 상기 이면 전극층 위에 CIGS 광흡수층을 형성하였다. 얻어진 CIGS 광흡수층의 조성(원자수%)은, Cu/Ⅲ족 = 0.89, Ga/Ⅲ족 = 0.31이며, 막 두께는 2.1 ㎛였다.
(버퍼층의 형성)
계속해서, 상기에서 형성된 CIGS 광흡수층 위에, 버퍼층을 형성하였다. 버퍼층은, 도 2에 도시한 한 쌍의 타겟(6, 6')이 대략 V자로 배치된 대향 타겟 스퍼터 장치[중심선에 대한 타겟(6, 6')의 각도(θ)가 각각 10°]를 이용하여 형성하였다. 이때, 스퍼터링 타겟에는, Zn0.85Mg0.15O라는 조성의 타겟을 이용하고, 타겟(6')의 에지(6'a)를 기판(1) 표면으로부터 160 ㎜ 떨어진 위치에 설치하며, 기판(1)의 온도를 25℃로 설정하였다. 본 타겟(6, 6')을 조성 분석한 결과, Mg에 대하여 약 3원자수%의 Ca가 혼재되어 있었다. 스퍼터시의 방전 가스에는 아르곤을 이용하고, 고주파(RF) 전원을 이용하여, 전력 밀도 0.7 W/㎠, 스퍼터 압력 0.3 ㎩에서, 막 두께 70 ㎚가 되도록 전력 및 형성 시간을 조정하였다. 한편, 타겟(6')의 에지(6'a)는, 기판(1)으로부터 최단 거리에 있는 개소를 나타낸다.
(투명 전극층의 형성)
또한, 상기에서 형성된 버퍼층 위에, 투명 전극층을 형성하였다. 투명 전극층은, 마그네트론 스퍼터 장치(알박사 제조, 모델 번호 SH-450)를 이용하여 형성하였다. 이때, 스퍼터링 타겟은, ITO(In2O3: 90〔원자수%〕, SnO2: 10〔원자수%〕)라는 조성의 타겟을 이용하였다. 스퍼터시의 방전 가스에는 아르곤 가스 및 아르곤 가스 유량의 1/10의 O2 가스를 병용하고, 고주파(RF) 전원을 이용하여, 전력 밀도 1.6 W/㎠, 스퍼터 압력 0.3 ㎩, 스퍼터 속도 20 ㎚/분으로, 두께 200 ㎚의 ITO막(투명 전극층)을 형성하여, 실시예 1의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 실시예 1의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.6을 나타냈다.
〔실시예 2〕
버퍼층 형성의 조건을, 고주파(RF) 전원을 이용하여, 전력 밀도 6.0 W/㎠로 행한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 2의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 실시예 2의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.8을 나타냈다.
〔실시예 3〕
버퍼층 형성의 조건을, 직류(DC) 전원(전력 밀도 6.0 W/㎠)+고주파(RF) 전원(전력 밀도 6.0 W/㎠)의 병용한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 3의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 실시예 3의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.7을 나타냈다.
〔실시예 4〕
버퍼층 형성의 조건을, 직류(DC) 전원(전력 밀도 2.5 W/㎠)+고주파(RF) 전원(전력 밀도 0.5 W/㎠)의 병용으로 하고, 스퍼터 압력 0.1 ㎩에서, 타겟(6')의 에지(6'a)를 기판(1) 표면으로부터 40 ㎜ 떨어진 위치에 설치하며(Y = 40 ㎜), 기판(1)의 온도를 200℃로 설정하여, 버퍼층의 형성을 행한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 4의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 실시예 4의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.6을 나타냈다.
〔실시예 5〕
버퍼층 형성의 조건을, 직류(DC) 전원(전력 밀도 2.5 W/㎠)+고주파(RF) 전원(전력 밀도 1.5 W/㎠)의 병용으로 하고, 스퍼터 압력 0.1 ㎩에서, 타겟(6')의 에지(6'a)를 기판(1) 표면으로부터 160 ㎜ 떨어진 위치에 설치하며(Y = 160 ㎜), 기판(1)의 온도를 200℃로 설정한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 5의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 실시예 5의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.7을 나타냈다.
〔비교예 1〕
버퍼층의 형성을, 일반적인 마그네트론 스퍼터 장치(알박사 제조, 모델 번호 SH-450)로 행한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 한편, 마그네트론 스퍼터는, 직류(DC) 전원(전력 밀도 0.5 W/㎠)을 이용하였다. 비교예 1의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.2를 나타냈다.
〔비교예 2〕
버퍼층 형성 조건을, 직류(DC) 전원(전력 밀도 1.5 W/㎠)을 이용한 것 외에는, 비교예 1과 동일하게 하여, 비교예 2의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 비교예 2의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.1을 나타냈다.
〔비교예 3〕
버퍼층 형성 조건을, 고주파(RF) 전원(전력 밀도 0.5 W/㎠)을 이용하여 행한 것 외에는, 비교예 1과 동일하게 하여, 비교예 3의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 비교예 3의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.3을 나타냈다.
〔비교예 4〕
버퍼층 형성 조건을, 고주파(RF) 전원(전력 밀도 2.5 W/㎠)을 이용하여 행한 것 외에는, 비교예 1과 동일하게 하여, 비교예 4의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 비교예 4의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.2를 나타냈다.
〔비교예 5〕
버퍼층의 형성에 이용하는 대향 타겟 스퍼터 장치에, 직류(DC) 전원(전력 밀도 0.7 W/㎠)을 이용한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 5의 CIGS 태양 전지를 얻었다. 비교예 5의 버퍼층의 X선 회절에 의해 나타나는 특성은, A/(A+B+C) = 0.2를 나타냈다.
<변환 효율의 측정>
상기 실시예 1~5, 비교예 1~5의 CIGS 태양 전지를 각각 20개 준비하고, 이들에 의사 태양광(AM1.5)을 조사하며, IV 계측 시스템(야마시타 덴소사 제조, YSS-150)을 이용하여, 각각의 변환 효율을 측정하였다. 얻어진 결과(평균)를 하기의 〔표 1〕에 나타낸다.
Figure pct00001
상기한 변환 효율의 측정의 결과, 실시예 1~5의 CIGS 태양 전지는, 평균 변환 효율이 모두 3.3% 이상이며, 우수한 변환 효율을 갖는 것으로 나타났다. 특히, X선 회절에 의해 나타나는 버퍼층의 특성이, 식 (1)~(4)를 모두 만족시키는 실시예 1~3의 CIGS 태양 전지는, 평균 변환 효율이 모두 4%를 상회하여, 매우 우수한 변환 효율을 갖는 것으로 나타났다. 한편, X선 회절에 의해 나타나는 버퍼층의 특성이 식 (1)을 만족시키지 않은 비교예 1~5의 CIGS 태양 전지는, 모두 변환 효율의 평균이 낮은 것으로 나타났다.
상기 실시예에 있어서는, 본 발명에 있어서의 구체적인 형태에 대해서 나타내었으나, 상기 실시예는 단순한 예시에 불과하며, 한정적으로 해석되는 것은 아니다. 당업자에게 명백한 여러 가지 변형은, 본 발명의 범위 내인 것이 기도되고 있다.
본 발명의 CIGS계 화합물 태양 전지는, 박형이면서, 변환 효율이 매우 높기 때문에, 여러 분야에서 이용할 수 있다.
1: 기판
2: 이면 전극층
3: CIGS 광흡수층
4: 버퍼층
5: 투명 전극층

Claims (4)

  1. 기판 상에, 적어도 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체층과, 버퍼층과, 투명 전극층을 이 순서로 구비하고, 상기 버퍼층을 Ⅱa족 금속 및 Zn 산화물의 혼정(混晶)으로 하며, 상기 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지.
    0.5 ≤ A/(A+B+C) < 1 …(1)
    (단, A, B, C는 모두 0이 아님)
    A: (002) 면에서의 피크 강도
    B: (100) 면에서의 피크 강도
    C: (101) 면에서의 피크 강도
  2. 제1항에 있어서, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (2)를 만족시키는 CIGS계 화합물 태양 전지.
    0 < B/(A+B+C) < 0.2 …(2)
    (단, A, B, C는 모두 0이 아님)
    A: (002) 면에서의 피크 강도
    B: (100) 면에서의 피크 강도
    C: (101) 면에서의 피크 강도
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (3)을 만족시키는 CIGS계 화합물 태양 전지.
    0 < C/(A+B+C) < 0.3 …(3)
    (단, A, B, C는 모두 0이 아님)
    A: (002) 면에서의 피크 강도
    B: (100) 면에서의 피크 강도
    C: (101) 면에서의 피크 강도
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 혼정의 X선 회절에 의해 나타나는 특성이, 하기의 식 (4)를 만족시키는 CIGS계 화합물 태양 전지.
    0.7 < (A+C)/(A+B+C) < 1 …(4)
    (단, A, B, C는 모두 0이 아님)
    A: (002) 면에서의 피크 강도
    B: (100) 면에서의 피크 강도
    C: (101) 면에서의 피크 강도
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